JP3960185B2

JP3960185B2 - Illumination optical device and projector

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Publication number: JP3960185B2
Application number: JP2002289572A
Authority: JP
Inventors: 光一秋山
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2002-10-02
Filing date: 2002-10-02
Publication date: 2007-08-15
Anticipated expiration: 2022-10-02
Also published as: JP2004126184A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、照明光学装置及びプロジェクタに関する。
【０００２】
【背景技術】
従来、プロジェクタとして、光源装置から射出された光束を、ダイクロイックミラーによりＲＧＢの三色の色光に分離し、三枚の液晶パネル（光変調装置）によって色光毎に画像情報に応じて変調し、変調後の光束をクロスダイクロイックプリズムで合成し、投写レンズを介してカラー画像を拡大投写する、いわゆる三板式のプロジェクタが知られている。
【０００３】
このようなプロジェクタは、図５に示すような照明光学装置１００を有している。この照明光学装置１００は、光源装置１１０と、均一照明光学系１５０とを有する。
光源装置１１０は、放射光源としての発光管（光源ランプ１２）と、楕円リフレクタ１３０と、平行化凹レンズ１４０とを有しており、光源ランプ１２から射出された放射状の光線をリフレクタで反射して射出し、平行化凹レンズ１４０で平行化させている。
均一照明光学系１５０は、楕円リフレクタ１３０で反射された光束を複数の部分光束に分割し、液晶パネル４１の画像形成領域上に重畳させる機能を有し、光束分割光学素子（第１レンズアレイ１６０）と、偏光変換素子（ＰＢＳアレイ１８０）と、集光レンズ（第２レンズアレイ１７０、コンデンサレンズ１９０）とを有する（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−３４７２９３号公報（第１２〜第１３頁、図１４）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このような照明光学装置１００では、光源ランプ１２からの光束をすべて取り込むために、平行化凹レンズ１４０の光束透過領域の輪郭形状を正方形状とし、その一辺の長さ寸法をリフレクタ１３０の開口部の径寸法と略等しくしている。そして、平行化凹レンズ１４０から射出される光束が全て入射できるよう平行化凹レンズ１４０の後段に配置される第１レンズアレイ１６０、第二レンズアレイ１７０、ＰＢＳアレイ１８０、コンデンサレンズ１９０も平行化凹レンズ１４０と一辺の長さ寸法が等しい正方形の光束透過領域を有するものとしている。
これに対し、液晶パネル４１の画像形成領域は、リフレクタ１３０の開口部の径寸法よりも非常に短い短辺、長辺から構成される長方形状となっている。そのため、コンデンサレンズ１９０の光束透過領域の一辺の長さ寸法と液晶パネル４１の画像形成領域の短辺、長辺の長さ寸法には大きな差が生じ、コンデンサレンズ１９０の周縁部から射出された光束の液晶パネル４１への入射角は大きなものとなる。通常、液晶パネル４１はリフレクタ１３０やレンズ等で平行光束とされた光束が、画像形成領域に対して略垂直に入射するように設定されているので、光束の入射角が大きくなり、光束が画像形成領域に対し斜めに入射した場合には、投写映像のコントラストが悪化しやすく、画像の品質が低下する可能性がある。
また、光源ランプ１２からの光束をすべて取り込むために、レンズ１４０，１６０,１７０,１８０，１９０の光束透過領域の一辺の長さ寸法をリフレクタ１３０の開口部の径寸法と略等しくしているため、照明光学装置１００のさらなる小型化を図ることができないという問題もある。
【０００６】
本発明の目的は、コントラストを向上させることができ、かつ、小型化できる照明光学装置及びこの照明光学装置を有するプロジェクタを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
そのため、本発明は以下の構成を採用して前記目的を達成しようとするものである。
本発明の照明光学装置は、入射光束を画像情報に応じて変調し、光学像を形成する長方形状の画像形成領域を備えた光変調装置を照明する照明光学装置であって、発光管、この発光管から放射された光束を反射する楕円リフレクタ、及びこの楕円リフレクタにより反射された光束を平行化する平行化レンズを備えた光源装置と、照明光軸に直交する面内に複数の小レンズをマトリクス状に配列して構成され、前記光源装置から射出された光束を複数の部分光束に分割する光束分割光学素子と、この光束分割光学素子により分割された各部分光束を前記光変調装置の画像形成領域上に重畳させる集光レンズとを備え、前記発光管は、発光部本体を内部に封入する膨出部が形成された管状部材を備え、前記膨出部の前記楕円リフレクタと反対側には、放射光束を前記楕円リフレクタに反射する反射部材が設けられ、前記反射部材の前記楕円リフレクタ側の先端位置は、前記楕円リフレクタの開口部と前記照明光軸方向において略一致し、前記平行化レンズは、前記楕円リフレクタにより反射された光束の径が前記光変調装置の画像形成領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下となる位置に配置され、前記平行化レンズ、前記光束分割光学素子、前記集光レンズの光束透過領域が前記画像形成領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下の矩形状に設定されていることを特徴とする。
【０００８】
この本発明によれば、楕円リフレクタ使用しているので、光源ランプから放射される光線を単に反射するだけでなく、反射した光束を絞り込み、その径を小さくすることができる。楕円リフレクタにより反射された光束の径が画像形成領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下となる位置に平行化レンズを配置することで、平行化レンズ、さらには、この平行化レンズの後段に配置される光束分割光学素子、集光レンズの光束透過領域を画像形成領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下の矩形状に設定することができる。これにより、集光レンズから射出される光束の径は、画像形成領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下となる。
集光レンズから射出される光束の径と、画像形成領域の長辺寸法、短辺寸法との差が小さくなるので、集光レンズから射出される光束の光変調装置への入射角度を小さくすることができる。光変調装置への入射光束の入射角が小さいほど、投写映像のコントラストはよくなるため、従来の照明光学装置を用いた場合にくらべ、投写映像のコントラストを向上させることができる。
【０００９】
また、このように光変調装置への入射光束の入射角が小さくなるので、光変調装置から射出される光束の射出角も小さくなる。そのため、光変調装置の後段に設けられる投写レンズのＦナンバーを大きくすることができ、より解像力の高いまたは高精細な投写映像を形成することができる。
また、平行化レンズ、光束分割光学素子、集光レンズの光束透過領域は、光変調装置の画像形成領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下に設定されているので、従来の平行化レンズ、光束分割光学素子等よりも小さな寸法とすることができる。従って、照明光学装置の小型化、軽量化を図ることができる。
【００１０】
また、反射部材が取り付けられていない発光管を使用する場合には、発光管から放射される光束を全て反射させるために発光管の先端までも覆うような大きな楕円リフレクタを使用する必要がある。
この発明によれば、発光管に反射部材が取り付けられているので、発光管の先端から射出される光束は楕円リフレクタ側に反射される。そのため、楕円リフレクタを発光管の先端を覆うような大きさにする必要がなくなり、楕円リフレクタの大きさを小さくすることが可能である。
【００１１】
また、大きな楕円リフレクタを使用する場合には、楕円リフレクタにより反射された光束の径が画像形成領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下となる位置が光源ランプから遠くなるので、光源ランプと平行化レンズとの距離を大きくとる必要がある。また、このように光源ランプからの距離を大きくとった場合には平行化レンズの倍率を大きなものにする必要がある。
これに対し、本発明では、楕円リフレクタの大きさを小さくできるので、楕円リフレクタにより反射された光束の径が画像形成領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下となる位置が光源ランプに近くなる。そのため、平行化レンズを光源ランプに接近させることが可能であり、照明光学装置の小型化を図ることができる。また、平行化レンズを光源ランプに接近させることができるので、平行化レンズの倍率を小さくすることができる。
【００１２】
本発明では、前記反射部材は、前記膨出部の先端部分に蒸着形成された金属膜であることが好ましい。
発光部本体を内部に封入する膨出部に反射部材である金属膜を形成することで、膨出部の先端部分から放射された光束を確実に楕円リフレクタに反射させることができる。従って、膨出部の先端部分から放射された光束が楕円リフレクタに反射されずに射出されてしまうことを防止できる。
【００１３】
本発明では、前記平行化レンズは、光束透過領域の入射側及び／又は射出側が非球面とされた平行化凹レンズであることが好ましい。
球面の平行化凹レンズを使用した場合には、球面収差が生じるため、中心部の平行度は高いものの、周辺部の平行度がよくないことがある。
この発明によれば、平行化凹レンズの入射側及び／又は射出側を非球面とすることで、射出される光束の平行度を向上させることができる。
【００１４】
本発明では、前記平行化凹レンズは、（１）光束透過領域の入射側が双曲面形状を有する非球面であり、射出側が平面であるもの、（２）前記平行化凹レンズは、光束透過領域の入射側が平面であり、前記射出側が楕円面を有する非球面であるもの、（３）前記平行化凹レンズは、光束透過領域の入射側が球面であり、前記射出側が双曲面形状を有する非球面であるものの何れかであることが好ましい。
【００１５】
この発明によれば、（１）の場合には、入射側を双曲面形状を有する非球面としているので、光束は平行化凹レンズの光束透過領域の入射側で平行化され、射出側では屈折作用を受けないようにすることができる。従って、より平高度の高い射出光束を得ることができる。また、射出側は平面であるため、平行化凹レンズの作成を比較的安価に行うことができる。
また（２）の場合には、光束透過領域の射出側を非球面としているので射出される光束の径を小さくすることができる。
さらに、光束透過領域の射出側を非球面としているので射出される光束の面内照度のばらつきを比較的小さくすることができる。
（３）の場合には、光束透過領域の射出側を非球面としているので（２）と同様の効果を奏することができるほか、光束透過領域の入射側を球面としているので、入射側において光が屈折を受けないようにすることができ、より平行度の高い射出光束を得ることができる。
【００１６】
本発明では、前記集光レンズは、前記光束透過領域の入射側が平面であり、射出側が双曲面形状を有する非球面であることが好ましい。
この発明によれば、前記光束透過領域の射出側を非球面としているので射出される光束の収差を小さくすることができる。従って、光変調装置の画像形成領域に確実に光束を入射させることができる。
【００１７】
本発明では、前記光束分割光学素子及び集光レンズの間には、入射光束の偏光方向を揃える偏光変換素子を備え、前記偏光変換素子は、水晶又は雲母製の位相差板を有していることが好ましい。
前述したように平行化凹レンズや、光束分割光学素子の光束透過領域を小さくしたので、光束密度が高くなっているので、位相差板の耐熱性を向上させる必要がある。
本発明によれば、位相差板を水晶又は雲母製としたので、位相差板の耐熱性の耐熱性を向上させることができる。
【００１８】
本発明のプロジェクタは、前述した何れかの照明光学装置を備えていることを特徴とする。
この発明によれば、前述した照明光学装置と略同様の作用効果を奏することができる。つまり、コントラストを向上させることができるプロジェクタとなる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１実施形態を図面に基づいて説明する。
図１には、本発明の実施形態に係るプロジェクタ１の光学系の構造を表す模式図が示されている。このプロジェクタ１は、インテグレータ照明光学系（照明光学装置）１０、色分離光学系２０、リレー光学系３０、光学装置４０、色合成光学系であるクロスダイクロイックプリズム６０、および投写光学系である投写レンズ７０を備えている。
前記照明光学装置１０は、光源装置１１および均一照明光学系１５を備え、光源装置１１は、光源ランプ１２（発光管）と、光源ランプ１２から射出された光束を反射する楕円リフレクタ１３と、平行化凹レンズ１４とを備えている。
均一照明光学系１５は、光源装置１１から射出された光束を複数の部分光束に分割するとともに、各部分光束の偏光方向を、Ｐ偏光光束あるいはＳ偏光光束に揃えるものであり、光束分割素子である第１レンズアレイ１６、第２レンズアレイ１７、偏光変換素子であるＰＢＳアレイ１８、および集光レンズであるコンデンサレンズ１９を含んで構成されている。
なお、照明光学装置１０についての詳細は、後述する。
【００２０】
色分離光学系２０は、２枚のダイクロイックミラー２１，２２と、反射ミラー２３とを備え、ダイクロイックミラー２１、２２により照明光学装置１０から射出された複数の部分光束を赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色の色光に分離する機能を有している。
【００２１】
リレー光学系３０は、入射側レンズ３１と、リレーレンズ３３と、反射ミラー３２、３４とを備え、色分離光学系２０で分離された色光である赤色光を液晶パネル４１Ｒまで導く機能を有している。
【００２２】
この際、色分離光学系２０のダイクロイックミラー２１では、照明光学装置１０から射出された光束のうち、赤色光と緑色光を透過し、青色光を反射する。ダイクロイックミラー２１によって反射した青色光は、反射ミラー２３で反射し、フィールドレンズ４４を通って、青色用の液晶パネル４１Ｂに到達する。このフィールドレンズ４４は、第２レンズアレイ１７から射出された各部分光束をその中心軸（主光線）に対して平行な光束に変換する。他の液晶パネル４１Ｇ、４１Ｒの光束入射側に設けられたフィールドレンズ４４も同様である。
【００２３】
また、ダイクロイックミラー２１を透過した赤色光と緑色光のうちで、緑色光は、ダイクロイックミラー２２によって反射し、フィールドレンズ４４を通って、緑色用の液晶パネル４１Ｇに到達する。一方、赤色光は、ダイクロイックミラー２２を透過してリレー光学系３０を通り、さらにフィールドレンズ４４を通って、赤色光用の液晶パネル４１Ｒに到達する。
なお、赤色光にリレー光学系３０が用いられているのは、赤色光の光路の長さが他の色光の光路長さよりも長いため、光の発散等による光の利用効率の低下を防止するためである。すなわち、入射側レンズ３１に入射した部分光束をそのまま、フィールドレンズ４４に伝えるためである。なお、リレー光学系３０には、３つの色光のうちの赤色光を通す構成としたが、これに限らず、例えば、青色光を通す構成としてもよい。
【００２４】
光学装置４０は、入射された光束を画像情報に応じて変調してカラー画像を形成するものであり、色分離光学系２０で分離された各色光が入射される３つの入射側偏光板（図示略）と、入射側偏光板の入射側に配置されるフィールドレンズ４４と、各入射側偏光板の後段に配置される光変調装置としての液晶パネル４１Ｒ，４１Ｇ，４１Ｂと、各液晶パネル４１Ｒ，４１Ｇ，４１Ｂの後段に配置される射出側偏光板（図示略）と、色合成光学系としてのクロスダイクロイックプリズム６０とを備える。
【００２５】
液晶パネル４１Ｒ，４１Ｇ，４１Ｂは、一対の透明なガラス基板間に電気光学物質である液晶を密閉封入したものであり、例えば、ポリシリコンＴＦＴをスイッチング素子として、与えられた画像信号に従って、入射側偏光板から射出された偏光光束の偏光方向を変調する。この液晶パネル４１Ｅ，４１Ｇ，４１Ｂの画像形成領域は長方形状である。
入射側偏光板は、色分離光学系２０で分離された各色光のうち、一定方向の偏光光束のみ透過させ、その他の光束を吸収する光学変換素子である。また、射出側偏光板も、液晶パネル４１（４１Ｒ，４１Ｇ，４１Ｂ）から射出された光束のうち、所定方向の偏光光束のみ透過させ、その他の光束を吸収するものである。フィールドレンズ４４は、照明光学装置１０のコンデンサレンズ１９で絞り込まれた射出光束を照明光軸に対して平行にするための光学素子である。
【００２６】
クロスダイクロイックプリズム６０は、射出側偏光板から射出され、各色光毎に変調された光学像を合成してカラー画像を形成するものである。
クロスダイクロイックプリズム６０には、赤色光を反射する誘電体多層膜と青色光を反射する誘電体多層膜とが、４つの直角プリズムの界面に沿って略Ｘ字状に設けられ、これらの誘電体多層膜により３つの色光が合成される。
【００２７】
図２も参照して照明光学装置１０について詳細に説明する。図２は照明光学装置１０と液晶パネル４１との関係を示す模式図である。
前述したように照明光学装置１０は光源装置１１および均一照明光学系１５を備えている。光源装置１１は、光源ランプ１２と、光源ランプ１２から射出された光束を反射する楕円リフレクタ１３と、平行化凹レンズ１４とを備えている。光源ランプ１２は、図示しないが、所定距離離間して配置される一対の電極（発光部本体）と、この電極が封入された管状部材１２０とを備え、管状部材１２０は、電極の離間部分において外側に膨出した膨出部１２２を有している。この膨出部１２２の平行化凹レンズ１４側の先端部分には反射部材１２１が取り付けられている。
この反射部材１２１は膨出部１２２の先端側から放射される光束を楕円リフレクタ１３に反射するものであり、蒸着形成された金属膜である。
一対の電極間に電圧を印加すると、アーク放電が起こり、光源ランプ１２が点灯する。なお、このような光源ランプ１２は、メタルハライドランプ、高圧水銀ランプ等を使用することができる。
【００２８】
平行化凹レンズ１４は、楕円リフレクタ１３により反射された光束を平行化するものである。この平行化凹レンズ１４の光束透過領域の入射側は双曲面形状を有する非球面であり、射出側は平面となっている。平行化凹レンズ１４は、楕円リフレクタ１３により反射された光束の径が液晶パネル４１の画像形成領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下となる位置に配置されている。
【００２９】
均一照明光学系１５は、第１レンズアレイ１６、第２レンズアレイ１７、ＰＢＳアレイ１８、およびコンデンサレンズ１９を有している。
第１レンズアレイ１６は、光源ランプ１２から射出された光束を複数の部分光束に分割する光束分割光学素子としての機能を有し、照明光軸と直交する面内にマトリクス状に配列される複数のレンズを備えて構成され、各レンズの縦横比は、後述する光学装置４０を構成する液晶パネル４１Ｒ、４１Ｇ、４１Ｂの画像形成領域の縦横比と対応している。
【００３０】
第２レンズアレイ１７は、前述の第１レンズアレイ１６により分割された部分部分光束を集光する集光レンズであり、第１レンズアレイ１６と同様に照明光軸に直交する面内にマトリクス状に配列される複数のレンズを備えている。各レンズの配列は、第１レンズアレイ１６を構成するレンズと対応しているが、その大きさは、第１レンズアレイ１６のように液晶パネル４１Ｒ、４１Ｇ、４１Ｂの画像形成領域の縦横比と対応する必要はない。
【００３１】
偏光変換素子としてのＰＢＳアレイ１８は、第１レンズアレイ１６により分割された各部分光束の偏光方向を一方向に揃える光学素子である。このＰＢＳアレイ１８は、図示しないが、偏光方向の異なる２種類のＰ偏光光束およびＳ偏光光束のうち、一方の偏光光束を透過させ、他方の偏光光束を反射して両偏光光束に分離する偏光分離膜と、この偏光分離膜で反射した他方の偏光光束の進行方向を折り曲げて、透過した一方の偏光光束の出射方向に揃える反射ミラーと、透過した一方の偏光光束の偏光変換を行う位相差板とを含んで構成される。この位相差板は、水晶又は雲母製となっている。
このようなＰＢＳアレイ１８を採用することで、光源ランプ１２から射出される光束を一方向の偏光光束のみに揃えることができるため、光源光の利用効率を向上させることができる。
【００３２】
コンデンサレンズ１９は、集光レンズであり、第１レンズアレイ１６、第２レンズアレイ１７、およびＰＢＳアレイ１８を経た複数の部分光束を集光して、液晶パネル４１Ｒ、４１Ｇ、４１Ｂの画像形成領域上に重畳させる機能を有するレンズである。このコンデンサレンズ１９は光束透過領域の入射側が平面であり、射出側が双曲面形状を有する非球面となっている。
【００３３】
このような平行化凹レンズ１４、第１レンズアレイ１６、第２レンズアレイ１７、およびＰＢＳアレイ１８、コンデンサレンズ１９の光束透過領域は、略正方形状であり、各光束透過領域の一辺の長さ寸法は、液晶パネル４１の画像形成領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下となっている。
【００３４】
次に、図３，４をも参照して照明光学装置１０の光源ランプ１２から放射される光束の軌跡について説明する。図３は照明光学装置１０を上から見た場合の光束の軌跡を示す図であり、図４は照明光学装置１０を側方から見た場合の光束の軌跡を示す図である。また、図３，４には液晶パネル４１の前段に配置されるフィールドレンズ４４が示されている。
【００３５】
照明光学装置１０において、光源ランプ１２を点灯させると、光束が放射され、この光束は楕円リフレクタ１３により反射される。この楕円リフレクタ１３により反射された光束は平行化凹レンズ１４に入射され、平行化される。平行化凹レンズ１４は、前述したように、楕円リフレクタ１３により反射された光束の径が液晶パネル４１の画像形成領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下となる位置に配置されており、また、光束透過領域の一辺は、画像形成領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下であるため、平行化凹レンズ１４から射出される光束の径は、液晶パネル４１の画像形成領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下となる。
【００３６】
この光束は第１レンズアレイ１６、第２レンズアレイ１７、およびＰＢＳアレイ１８、コンデンサレンズ１９に入射される。これらのレンズ１６，１７，１８，１９の光束透過領域の一辺は、画像形成領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下であるため、コンデンサレンズ１９から射出された光束の径は、パネル４１の画像形成領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下となり、フィールドレンズ４４を介して液晶パネル４１の画像形成領域に略垂直に入射される。
【００３７】
従って、本実施形態によれば、以下の効果を奏することができる。
楕円リフレクタ１３を使用しているので、光源ランプ１２から放射される光束を単に反射するだけでなく、反射した光束を絞り込み、その径を小さくすることができる。楕円リフレクタ１３により反射された光束の径が液晶パネル４１の画像形成領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下となる位置に平行化凹レンズ１４を配置することで、平行化凹レンズ１４の光束透過領域の一辺の長さ寸法を、画像形成領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下とすることができる。これにより、この平行化凹レンズ１４の後段に配置される第１レンズアレイ１６、第２レンズアレイ１７、ＰＢＳアレイ１８、コンデンサレンズ１９の光束透過領域の一辺の長さ寸法も画像形成領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下に設定することができる。コンデンサレンズ１９から射出される光束の径は、画像形成領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下となり、コンデンサレンズ１９から射出される光束の径と、液晶パネル４１の画像形成領域の長辺、短辺寸法との差が小さくなる。そのため、コンデンサレンズ１９から射出される光束は液晶パネル４１の画像形成領域へ略垂直に入射し、入射角度が小さくなる。液晶パネル４１への入射光束の入射角が小さいほど、投写映像のコントラストはよくなるため、投写映像のコントラストを向上させることができる。
【００３８】
また、このように液晶パネル４１への入射光束の入射角が小さくなるので、液晶パネル４１から射出される光束の射出角も小さくなる。そのため、投写レンズ７０のＦナンバーを大きくすることができ、より解像力の高いまたは高精細な投写映像を形成することができる。
さらに、前述したように平行化凹レンズ１４、第１レンズアレイ１６、第２レンズアレイ１７、およびＰＢＳアレイ１８、コンデンサレンズ１９の光束透過領域の一辺の長さ寸法は、液晶パネル４１の画像形成領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下である。従って、これらのレンズ１４，１６，１７，１８，１９は、楕円リフレクタ１３の開口部の径寸法と略同じ寸法の光束透過領域を有する従来の平行化凹レンズ、光束分割光学素子等よりも小さな寸法となる。そのため、照明光学装置１０の小型化、軽量化を図ることができる。
【００３９】
反射部材１２１が取り付けられていない光源ランプ１２を使用する場合には、光源ランプ１２から放射される光束を全て反射させるために光源ランプ１２の先端までも覆うような大きな楕円リフレクタを使用する必要がある。
本実施形態では、光源ランプ１２に反射部材１２１が取り付けられているので、光源ランプ１２の先端側からは放射される光束は全て楕円リフレクタ１３側に反射される。そのため、楕円リフレクタ１３を光源ランプ１２の先端を覆うような大きさにする必要がなくなり、楕円リフレクタ１３の大きさを小さくすることができる。
【００４０】
また、大きな楕円リフレクタを使用する場合には、楕円リフレクタにより反射された光束の径が画像形成領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下となる位置が光源ランプ１２から遠くなるので、光源ランプ１２と平行化凹レンズ１４との距離を大きくとる必要がある。また、このように光源ランプ１２からの距離を大きくとった場合には平行化凹レンズ１４の倍率を大きなものにする必要がある。
これに対し、本実施形態では、楕円リフレクタ１３の大きさを小さくできるので、楕円リフレクタ１３により反射された光束の径が液晶パネル４１の画像形成領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下となる位置が光源ランプ１２に近くなる。そのため、平行化凹レンズ１４を光源ランプ１２に接近させることが可能であり、照明光学装置１０の小型化を図ることができる。また、光源ランプ１２に接近させることができるので平行化凹レンズ１４の倍率を小さくすることができる。
さらに、電極を内部に封入する膨出部１２２に金属膜の反射部材１２１を蒸着することで、膨出部１２２の先端部分から放射された光束を確実に楕円リフレクタ１３に反射させることができる。従って、膨出部１２２の先端部分から放射された光束が楕円リフレクタ１３で反射されずに射出されてしまうことを防止できる。
【００４１】
平行化凹レンズ１４の光束透過領域の入射側を双曲面形状を有する非球面としているので、光束は入射側で平行化され、射出側では屈折作用を受けないようにすることができる。従って、より平高度の高い射出光束を得ることができる。また、射出側は平面であるため、平行化凹レンズ１４の作成を比較的安価に行うことができる。
さらに、コンデンサレンズ１９の光束透過領域の射出側を非球面としているので射出される光束の収差を小さくすることができる。従って、液晶パネル４１の画像形成領域に確実に光束を入射させることができる。また、光束透過領域の入射側が平面であるため、コンデンサレンズ１９の作成を容易に行うことができる。
【００４２】
また、本実施形態では、前述したように平行化凹レンズ１４や、第１レンズアレイ１６等の光束透過領域を小さくしたので、光束密度が高くなっている。そのため、ＰＢＳアレイの位相差板の耐熱性を向上させる必要がある。本実施形態では、この位相差板を水晶又は雲母製としているので、樹脂製等の位相差板に比べ耐熱性を向上させることができる。
【００４３】
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前記実施形態では、平行化凹レンズ１４は、光束透過領域の入射側が双曲面形状を有する非球面であり、射出側が平面であるとしたが、これには限られず、入射側が平面であり、射出側が楕円面を有する非球面であるものや、入射側は球面であり、射出側は双曲面形状を有する非球面であるものであってもよい。
前者の場合には、射出側を非球面としているので射出される光束の径を小さくすることができる。また、射出側を非球面としているので射出される光束の面内照度のばらつきを比較的小さくすることができる。
後者の場合には、前者と同様の効果を奏することができるうえ、入射側を球面としているので、入射側において光が屈折を受けないようにすることができ、より平行度の高い射出光束を得ることができる。
【００４４】
さらに、平行化凹レンズは、非球面を有さず、球面のみを有するものとしてもよい。この場合には、球面収差が生じ、平行度が悪くなる可能性があるが、球面を形成すればよいので、非球面を形成する場合に比べ、製造が容易となるという利点がある。
【００４５】
また、前記実施形態では、コンデンサレンズ１９は光束透過領域の入射側が平面であり、射出側が双曲面形状を有する非球面であるとしたが、これには限られず、例えば、入射側及び射出側が平面であってもよい。このようにすることで、コンデンサレンズ１９の製造の容易化を図ることができる。
また、ＰＢＳアレイ１８の位相差板を水晶又は雲母製としたが、これには限られず、例えば、位相差板を樹脂製としてもよい。
【００４６】
さらに、光源ランプ１２には反射部材１２１が取り付けられているとしたが、反射部材１２１は設けられていなくてもよい。このようにすれば、部材点数を削減することが可能である。ただし、反射部材１２１がない場合には、光源ランプ１２から光線が放射状に射出されるので、楕円リフレクタを大きなものとする必要がある。
また、前記実施形態では、平行化凹レンズ１４、第１レンズアレイ１６、第２レンズアレイ１７、およびＰＢＳアレイ１８、コンデンサレンズ１９の光束透過領域を略正方形状としたが、これには限られず、液晶パネル４１の画像形成領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下である長方形状であってもよい。ただし、光束は円形状の断面を有しているので、前記実施形態のように正方形状とした方が光束透過領域のうち、光束が透過しない部分が少なくてよいという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態にかかるプロジェクタの光学系を示す模式図。
【図２】照明光学装置と液晶パネルとの関係を示す模式図。
【図３】光源装置から射出された光束の軌跡を示す図。
【図４】光源装置から射出された光束の軌跡を示す図。
【図５】従来の照明光学装置と液晶パネルとの関係を示す模式図。
【符号の説明】
１…プロジェクタ、１０…照明光学装置、１１…光源装置、１２…光源ランプ、１３…楕円リフレクタ、１４…平行化凹レンズ、１６…第１レンズアレイ、１７…第２レンズアレイ、１８…ＰＢＳアレイ、１９…コンデンサレンズ、４１，４１Ｒ，４１Ｇ，４１Ｂ…液晶パネル、１２０…管状部材、１２１…反射部材、１２２…膨出部。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an illumination optical device and a projector.
[0002]
[Background]
Conventionally, as a projector, a light beam emitted from a light source device is separated into RGB color light by a dichroic mirror, and modulated according to image information for each color light by three liquid crystal panels (light modulation devices). A so-called three-plate projector is known in which a later luminous flux is synthesized by a cross dichroic prism and a color image is enlarged and projected via a projection lens.
[0003]
Such a projector has an illumination optical device 100 as shown in FIG. The illumination optical device 100 includes a light source device 110 and a uniform illumination optical system 150.
The light source device 110 has an arc tube (light source lamp 12) as a radiation light source, an elliptical reflector 130, and a collimating concave lens 140, and reflects a radial light beam emitted from the light source lamp 12 by the reflector. Ejected and collimated by a collimating concave lens 140.
The uniform illumination optical system 150 has a function of dividing the light beam reflected by the elliptical reflector 130 into a plurality of partial light beams and superimposing them on the image forming area of the liquid crystal panel 41. The light beam dividing optical element (first lens array 160). ), A polarization conversion element (PBS array 180), and a condenser lens (second lens array 170, condenser lens 190) (see, for example, Patent Document 1).
[0004]
[Patent Document 1]
JP 2000-347293 A (pages 12 to 13 and FIG. 14)
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In such an illumination optical device 100, in order to capture all the light flux from the light source lamp 12, the contour shape of the light flux transmission region of the collimating concave lens 140 is a square shape, and the length dimension of one side thereof is the opening portion of the reflector 130. It is approximately equal to the diameter dimension. The first lens array 160, the second lens array 170, the PBS array 180, and the condenser lens 190 arranged at the subsequent stage of the collimating concave lens 140 so that all the light beams emitted from the collimating concave lens 140 can be incident on the collimating concave lens 140. And a square light flux transmission region having the same length on one side.
On the other hand, the image forming area of the liquid crystal panel 41 has a rectangular shape composed of a short side and a long side that are much shorter than the diameter of the opening of the reflector 130. Therefore, there is a large difference between the length dimension of one side of the light flux transmission area of the condenser lens 190 and the length dimension of the short side and the long side of the image forming area of the liquid crystal panel 41, and the light is emitted from the peripheral portion of the condenser lens 190. The incident angle of the light beam on the liquid crystal panel 41 is large. Normally, the liquid crystal panel 41 is set so that a light beam that has been made into a parallel light beam by a reflector 130, a lens, or the like is incident substantially perpendicularly to the image forming region. When the light is incident obliquely on the formation area, the contrast of the projected image is likely to deteriorate, and the image quality may be deteriorated.
Further, in order to capture all the light flux from the light source lamp 12, the length dimension of one side of the light flux transmission region of the lenses 140, 160, 170, 180, 190 is made substantially equal to the diameter dimension of the opening of the reflector 130. There is also a problem that the illumination optical device 100 cannot be further reduced in size.
[0006]
An object of the present invention is to provide an illumination optical device that can improve contrast and can be miniaturized, and a projector having the illumination optical device.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
Therefore, the present invention intends to achieve the object by adopting the following configuration.
An illumination optical device of the present invention is an illumination optical device that illuminates a light modulation device that includes a rectangular image forming region that modulates an incident light beam according to image information and forms an optical image. A light source device including an elliptical reflector that reflects the light beam emitted from the arc tube, and a parallelizing lens that collimates the light beam reflected by the elliptical reflector, and a plurality of small lenses in a plane orthogonal to the illumination optical axis. A light beam splitting optical element that is arranged in a matrix and splits the light beam emitted from the light source device into a plurality of partial light beams, and each partial light beam split by the light beam splitting optical element is an image of the light modulation device A condenser lens that is superimposed on a formation region, and the arc tube includes a tubular member formed with a bulging portion that encloses the light emitting portion main body therein, and is disposed on a side opposite to the elliptical reflector of the bulging portion. A reflecting member for reflecting the radiated light beam to the elliptical reflector is provided, and the tip position of the reflecting member on the elliptical reflector side substantially coincides with the opening of the elliptical reflector in the illumination optical axis direction, and the collimating lens Is arranged at a position where the diameter of the light beam reflected by the elliptical reflector is not less than the short side dimension and not more than the long side dimension of the image forming region of the light modulation device, the collimating lens, the light beam splitting optical element, The light beam transmission region of the condensing lens is set to a rectangular shape that is not less than the short side dimension and not more than the long side size of the image forming area.
[0008]
According to the present invention, since the elliptical reflector is used, not only the light beam emitted from the light source lamp but also the reflected light beam can be narrowed down and the diameter thereof can be reduced. By arranging the collimating lens at a position where the diameter of the light beam reflected by the elliptical reflector is not less than the short side dimension and not more than the long side dimension of the image forming region, the collimating lens is further provided at the subsequent stage of the collimating lens. The light beam transmission area of the light beam splitting optical element and the condensing lens to be arranged can be set to a rectangular shape that is not less than the short side dimension and not more than the long side dimension of the image forming area. Thereby, the diameter of the light beam emitted from the condenser lens is not less than the short side dimension and not more than the long side dimension of the image forming region.
Since the difference between the diameter of the light beam emitted from the condenser lens and the long side dimension and the short side dimension of the image forming area is reduced, the incident angle of the light beam emitted from the condenser lens to the light modulation device is reduced. be able to. The smaller the incident angle of the incident light beam to the light modulation device, the better the contrast of the projected image. Therefore, the contrast of the projected image can be improved compared to the case of using a conventional illumination optical device.
[0009]
In addition, since the incident angle of the incident light beam to the light modulation device is thus reduced, the emission angle of the light beam emitted from the light modulation device is also reduced. Therefore, the F number of the projection lens provided at the subsequent stage of the light modulation device can be increased, and a projection image with higher resolution or high definition can be formed.
In addition, the light beam transmission area of the collimating lens, the light beam splitting optical element, and the condenser lens is set to be not less than the short side dimension and not more than the long side dimension of the image forming area of the light modulation device. The size can be made smaller than that of the beam splitting optical element or the like. Therefore, the illumination optical device can be reduced in size and weight.
[0010]
In addition, when using an arc tube to which no reflecting member is attached, it is necessary to use a large elliptical reflector that covers the tip of the arc tube in order to reflect all the light flux emitted from the arc tube.
According to this invention, since the reflecting member is attached to the arc tube, the light beam emitted from the tip of the arc tube is reflected to the elliptical reflector side. Therefore, it is not necessary to make the size of the elliptical reflector so as to cover the tip of the arc tube, and the size of the elliptical reflector can be reduced.
[0011]
Also, when using a large elliptical reflector, the position where the diameter of the light beam reflected by the elliptical reflector is greater than or equal to the short side dimension and less than or equal to the long side dimension of the image forming area is far from the light source lamp, so it is parallel to the light source lamp. It is necessary to increase the distance from the lens. Further, when the distance from the light source lamp is increased as described above, it is necessary to increase the magnification of the parallelizing lens.
In contrast, in the present invention, since the size of the elliptical reflector can be reduced, the position where the diameter of the light beam reflected by the elliptical reflector is not less than the short side dimension and not more than the long side dimension of the image forming region is close to the light source lamp. . Therefore, the collimating lens can be brought close to the light source lamp, and the illumination optical device can be reduced in size. Further, since the collimating lens can be brought close to the light source lamp, the magnification of the collimating lens can be reduced.
[0012]
In the present invention, it is preferable that the reflection member is a metal film formed by vapor deposition on a tip portion of the bulge portion.
By forming a metal film as a reflecting member on the bulging portion that encloses the light emitting unit main body, the light beam emitted from the tip portion of the bulging portion can be reliably reflected to the elliptical reflector. Accordingly, it is possible to prevent the light beam emitted from the tip portion of the bulging portion from being emitted without being reflected by the elliptical reflector.
[0013]
In the present invention, it is preferable that the collimating lens is a collimating concave lens in which an incident side and / or an exit side of a light beam transmission region are aspherical.
When a spherical collimating concave lens is used, spherical aberration occurs, and the parallelism of the central part is high, but the parallelism of the peripheral part may not be good.
According to this invention, the parallelism of the emitted light beam can be improved by making the incident side and / or the exit side of the collimating concave lens aspherical.
[0014]
In the present invention, the collimating concave lens is (1) an aspherical surface having a hyperboloid shape on the incident side of the light flux transmitting region and a flat surface on the exit side, and (2) the collimating concave lens is incident on the light transmitting region. (3) The collimating concave lens has a spherical surface on the incident side of the light transmission region, and an aspherical surface on which the exit side has a hyperboloid shape. Either is preferable.
[0015]
According to the present invention, in the case of (1), since the incident side is an aspherical surface having a hyperboloid shape, the light beam is collimated on the incident side of the light beam transmission region of the collimating concave lens and is refracted on the exit side. You can avoid it. Accordingly, it is possible to obtain an emitted light beam having a higher flat altitude. Further, since the exit side is a flat surface, it is possible to produce a collimated concave lens relatively inexpensively.
In the case of (2), since the exit side of the light beam transmission region is an aspherical surface, the diameter of the emitted light beam can be reduced.
Furthermore, since the exit side of the light beam transmission region is an aspherical surface, the in-plane illuminance variation of the emitted light beam can be made relatively small.
In the case of (3), since the exit side of the light flux transmission region is aspherical, the same effect as in (2) can be obtained, and the incident side of the light flux transmission region is spherical, so that light is incident on the incident side. Can be prevented from being refracted, and an outgoing light beam with higher parallelism can be obtained.
[0016]
In the present invention, it is preferable that the condensing lens is an aspherical surface in which the incident side of the light flux transmission region is a flat surface and the exit side has a hyperboloid shape.
According to this invention, since the exit side of the light beam transmission region is aspherical, the aberration of the emitted light beam can be reduced. Therefore, the light beam can be reliably incident on the image forming area of the light modulation device.
[0017]
In the present invention, a polarization conversion element that aligns the polarization direction of the incident light beam is provided between the light beam splitting optical element and the condenser lens, and the polarization conversion element has a phase plate made of crystal or mica. It is preferable.
As described above, since the light beam transmission region of the collimating concave lens and the light beam splitting optical element is reduced, the light beam density is increased, and thus it is necessary to improve the heat resistance of the retardation plate.
According to the present invention, since the retardation plate is made of quartz or mica, the heat resistance of the retardation plate can be improved.
[0018]
A projector according to the present invention includes any one of the illumination optical devices described above.
According to the present invention, it is possible to achieve substantially the same operational effects as the illumination optical device described above. That is, the projector can improve the contrast.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, a first embodiment of the invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic diagram showing the structure of an optical system of a projector 1 according to an embodiment of the present invention. The projector 1 includes an integrator illumination optical system (illumination optical device) 10, a color separation optical system 20, a relay optical system 30, an optical device 40, a cross dichroic prism 60 that is a color synthesis optical system, and a projection lens that is a projection optical system. 70.
The illumination optical device 10 includes a light source device 11 and a uniform illumination optical system 15, and the light source device 11 is parallel to a light source lamp 12 (light emitting tube), an elliptical reflector 13 that reflects a light beam emitted from the light source lamp 12. And a concave lens 14.
The uniform illumination optical system 15 divides the light beam emitted from the light source device 11 into a plurality of partial light beams, and aligns the polarization direction of each partial light beam with a P-polarized light beam or an S-polarized light beam. A first lens array 16, a second lens array 17, a PBS array 18 that is a polarization conversion element, and a condenser lens 19 that is a condenser lens are included.
Details of the illumination optical device 10 will be described later.
[0020]
The color separation optical system 20 includes two dichroic mirrors 21 and 22 and a reflection mirror 23. A plurality of partial light beams emitted from the illumination optical device 10 by the dichroic mirrors 21 and 22 are converted into red (R) and green ( G) and blue (B) have a function of separating into three color lights.
[0021]
The relay optical system 30 includes an incident side lens 31, a relay lens 33, and reflection mirrors 32 and 34, and has a function of guiding red light, which is color light separated by the color separation optical system 20, to the liquid crystal panel 41R. ing.
[0022]
At this time, the dichroic mirror 21 of the color separation optical system 20 transmits red light and green light and reflects blue light among the light beams emitted from the illumination optical device 10. The blue light reflected by the dichroic mirror 21 is reflected by the reflection mirror 23, passes through the field lens 44, and reaches the blue liquid crystal panel 41B. The field lens 44 converts each partial light beam emitted from the second lens array 17 into a light beam parallel to the central axis (principal light beam). The same applies to the field lens 44 provided on the light incident side of the other liquid crystal panels 41G and 41R.
[0023]
Of the red light and green light transmitted through the dichroic mirror 21, the green light is reflected by the dichroic mirror 22, passes through the field lens 44, and reaches the green liquid crystal panel 41G. On the other hand, the red light passes through the dichroic mirror 22, passes through the relay optical system 30, passes through the field lens 44, and reaches the liquid crystal panel 41R for red light.
The relay optical system 30 is used for red light because the optical path length of the red light is longer than the optical path lengths of the other color lights, thereby preventing a decrease in light utilization efficiency due to light divergence or the like. Because. That is, this is to transmit the partial light beam incident on the incident side lens 31 to the field lens 44 as it is. The relay optical system 30 is configured to pass red light of the three color lights, but is not limited thereto, and may be configured to pass blue light, for example.
[0024]
The optical device 40 modulates an incident light beam according to image information to form a color image, and includes three incident-side polarizing plates (illustrated) on which the respective color lights separated by the color separation optical system 20 are incident. ), A field lens 44 arranged on the incident side of the incident side polarizing plate, liquid crystal panels 41R, 41G, 41B as light modulation devices arranged in the subsequent stage of the respective incident side polarizing plates, and the liquid crystal panels 41R, 41R, 41G and 41B are provided with an exit side polarizing plate (not shown) and a cross dichroic prism 60 as a color synthesizing optical system.
[0025]
The liquid crystal panels 41R, 41G, and 41B are obtained by hermetically enclosing a liquid crystal that is an electro-optical material between a pair of transparent glass substrates. For example, a polysilicon TFT is used as a switching element and is incident on the incident side according to a given image signal. Modulates the polarization direction of the polarized light beam emitted from the polarizing plate. The image forming areas of the liquid crystal panels 41E, 41G, and 41B are rectangular.
The incident-side polarizing plate is an optical conversion element that transmits only a polarized light beam in a certain direction and absorbs other light beams among the respective color lights separated by the color separation optical system 20. The exit side polarizing plate also transmits only a polarized light beam in a predetermined direction among the light beams emitted from the liquid crystal panel 41 (41R, 41G, 41B) and absorbs the other light beams. The field lens 44 is an optical element for making the emitted light beam narrowed down by the condenser lens 19 of the illumination optical device 10 parallel to the illumination optical axis.
[0026]
The cross dichroic prism 60 is one that forms a color image by synthesizing optical images emitted from the exit-side polarizing plate and modulated for each color light.
The cross dichroic prism 60 is provided with a dielectric multilayer film that reflects red light and a dielectric multilayer film that reflects blue light in a substantially X shape along the interfaces of four right-angle prisms. Three color lights are synthesized by the multilayer film.
[0027]
The illumination optical device 10 will be described in detail with reference to FIG. FIG. 2 is a schematic diagram showing the relationship between the illumination optical device 10 and the liquid crystal panel 41.
As described above, the illumination optical device 10 includes the light source device 11 and the uniform illumination optical system 15. The light source device 11 includes a light source lamp 12, an elliptic reflector 13 that reflects a light beam emitted from the light source lamp 12, and a parallelizing concave lens 14. Although not shown, the light source lamp 12 includes a pair of electrodes (light emitting unit main bodies) that are spaced apart from each other by a predetermined distance, and a tubular member 120 in which the electrodes are enclosed. It has a bulging portion 122 that bulges outward. A reflecting member 121 is attached to the tip portion of the bulging portion 122 on the parallel concave lens 14 side.
The reflecting member 121 reflects the light beam emitted from the tip side of the bulging portion 122 to the elliptical reflector 13, and is a metal film formed by vapor deposition.
When a voltage is applied between the pair of electrodes, arc discharge occurs and the light source lamp 12 is turned on. As such a light source lamp 12, a metal halide lamp, a high-pressure mercury lamp, or the like can be used.
[0028]
The collimating concave lens 14 collimates the light beam reflected by the elliptical reflector 13. The incident side of the light beam transmission region of the collimating concave lens 14 is an aspherical surface having a hyperboloid shape, and the exit side is a flat surface. The collimating concave lens 14 is disposed at a position where the diameter of the light beam reflected by the elliptical reflector 13 is not less than the short side dimension and not more than the long side dimension of the image forming area of the liquid crystal panel 41.
[0029]
The uniform illumination optical system 15 includes a first lens array 16, a second lens array 17, a PBS array 18, and a condenser lens 19.
The first lens array 16 has a function as a light beam splitting optical element that splits the light beam emitted from the light source lamp 12 into a plurality of partial light beams, and is arranged in a matrix in a plane orthogonal to the illumination optical axis. The aspect ratio of each lens corresponds to the aspect ratio of the image forming area of the liquid crystal panels 41R, 41G, 41B constituting the optical device 40 described later.
[0030]
The second lens array 17 is a condensing lens that condenses the partial partial light beams divided by the first lens array 16 described above, and in the same manner as the first lens array 16, a matrix is formed in a plane perpendicular to the illumination optical axis. Are provided with a plurality of lenses. The arrangement of the lenses corresponds to the lenses constituting the first lens array 16, but the size thereof is the same as the aspect ratio of the image forming area of the liquid crystal panels 41R, 41G, 41B as in the first lens array 16. There is no need to respond.
[0031]
The PBS array 18 as a polarization conversion element is an optical element that aligns the polarization directions of the partial light beams divided by the first lens array 16 in one direction. Although not shown, this PBS array 18 transmits polarized light that passes through one of the two types of P-polarized light flux and S-polarized light flux having different polarization directions, and reflects the other polarized light flux to separate it into both polarized light fluxes. A separation film, a reflection mirror that bends the traveling direction of the other polarized light beam reflected by the polarization separation film and aligns it with the outgoing direction of the transmitted polarized light beam, and a phase difference that performs polarization conversion of the transmitted polarized light beam It is comprised including a board. This phase difference plate is made of quartz or mica.
By adopting such a PBS array 18, the luminous flux emitted from the light source lamp 12 can be made uniform only in one direction of the polarized luminous flux, so that the light source light utilization efficiency can be improved.
[0032]
The condenser lens 19 is a condensing lens, and condenses a plurality of partial light beams that have passed through the first lens array 16, the second lens array 17, and the PBS array 18, and image forming regions of the liquid crystal panels 41R, 41G, and 41B. It is a lens having a function to be superimposed on. The condenser lens 19 has an aspherical surface in which the incident side of the light beam transmission region is a flat surface and the exit side has a hyperboloid shape.
[0033]
The collimated concave lens 14, the first lens array 16, the second lens array 17, the PBS array 18, and the condenser lens 19 have a substantially square light flux transmission area, and the length dimension of one side of each light flux transmission area. Is not less than the short side dimension of the image forming area of the liquid crystal panel 41 and not more than the long side dimension.
[0034]
Next, the locus of the light beam emitted from the light source lamp 12 of the illumination optical apparatus 10 will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is a diagram showing a locus of a light beam when the illumination optical device 10 is viewed from above, and FIG. 4 is a diagram showing a locus of the light beam when the illumination optical device 10 is viewed from the side. 3 and 4 show a field lens 44 disposed in front of the liquid crystal panel 41.
[0035]
In the illumination optical device 10, when the light source lamp 12 is turned on, a light beam is emitted, and this light beam is reflected by the elliptical reflector 13. The light beam reflected by the elliptical reflector 13 enters the collimating concave lens 14 and is collimated. As described above, the collimating concave lens 14 is disposed at a position where the diameter of the light beam reflected by the elliptical reflector 13 is not less than the short side dimension of the image forming region of the liquid crystal panel 41 and not more than the long side dimension. Since one side of the light beam transmission region is not less than the short side dimension of the image forming region and not more than the long side size, the diameter of the light beam emitted from the parallelizing concave lens 14 is not less than the short side size of the image forming region of the liquid crystal panel 41, It becomes below the long side dimension.
[0036]
This light beam is incident on the first lens array 16, the second lens array 17, the PBS array 18, and the condenser lens 19. Since one side of the light flux transmission area of these lenses 16, 17, 18, 19 is not less than the short side dimension and not more than the long side dimension of the image forming area, the diameter of the light flux emitted from the condenser lens 19 is The length of the image forming area is not less than the short side dimension and not more than the long side dimension, and is incident on the image forming area of the liquid crystal panel 41 through the field lens 44 substantially vertically.
[0037]
Therefore, according to this embodiment, the following effects can be produced.
Since the elliptical reflector 13 is used, not only the light beam emitted from the light source lamp 12 but also the reflected light beam can be narrowed down and the diameter thereof can be reduced. By arranging the collimating concave lens 14 at a position where the diameter of the light beam reflected by the elliptical reflector 13 is not less than the short side dimension and not more than the long side dimension of the image forming area of the liquid crystal panel 41, the light flux transmitting area of the collimating concave lens 14 The length dimension of one side of the image forming area can be set to be not less than the short side dimension and not more than the long side dimension of the image forming region. As a result, the length dimension of one side of the light beam transmission region of the first lens array 16, the second lens array 17, the PBS array 18, and the condenser lens 19 arranged at the subsequent stage of the collimating concave lens 14 is also the short side of the image forming region. It can be set to be larger than the dimension and smaller than the long side dimension. The diameter of the light beam emitted from the condenser lens 19 is not less than the short side dimension of the image forming region and not more than the long side size. The diameter of the light beam emitted from the condenser lens 19 and the long side of the image forming region of the liquid crystal panel 41 are The difference from the short side dimension is reduced. Therefore, the light beam emitted from the condenser lens 19 enters the image forming area of the liquid crystal panel 41 substantially perpendicularly, and the incident angle becomes small. The smaller the angle of incidence of the incident light beam on the liquid crystal panel 41, the better the contrast of the projected image, so that the contrast of the projected image can be improved.
[0038]
In addition, since the incident angle of the light beam incident on the liquid crystal panel 41 is reduced in this way, the emission angle of the light beam emitted from the liquid crystal panel 41 is also reduced. Therefore, the F number of the projection lens 70 can be increased, and a projection image with higher resolution or high definition can be formed.
Further, as described above, the length dimension of one side of the light beam transmission region of the collimating concave lens 14, the first lens array 16, the second lens array 17, the PBS array 18, and the condenser lens 19 is the image forming region of the liquid crystal panel 41. The short side dimension is greater than or equal to the long side dimension. Accordingly, these lenses 14, 16, 17, 18, 19 are smaller in size than the conventional collimating concave lens having a light beam transmission region having substantially the same size as the diameter of the opening of the elliptical reflector 13, a light beam splitting optical element, and the like. It becomes. Therefore, the illumination optical device 10 can be reduced in size and weight.
[0039]
When the light source lamp 12 to which the reflecting member 121 is not attached is used, it is necessary to use a large elliptical reflector that covers the tip of the light source lamp 12 in order to reflect all the light flux emitted from the light source lamp 12. is there.
In the present embodiment, since the reflecting member 121 is attached to the light source lamp 12, all the luminous flux radiated from the front end side of the light source lamp 12 is reflected to the elliptical reflector 13 side. Therefore, it is not necessary to make the size of the elliptical reflector 13 so as to cover the tip of the light source lamp 12, and the size of the elliptical reflector 13 can be reduced.
[0040]
When a large elliptical reflector is used, the position where the diameter of the light beam reflected by the elliptical reflector is greater than or equal to the short side dimension and less than or equal to the long side dimension of the image forming region is far from the light source lamp 12. It is necessary to increase the distance from the collimating concave lens 14. In addition, when the distance from the light source lamp 12 is increased as described above, the magnification of the collimating concave lens 14 needs to be increased.
On the other hand, in this embodiment, since the size of the elliptical reflector 13 can be reduced, the diameter of the light beam reflected by the elliptical reflector 13 is not less than the short side dimension of the image forming area of the liquid crystal panel 41 and not more than the long side dimension. The position is close to the light source lamp 12. Therefore, the collimating concave lens 14 can be brought close to the light source lamp 12, and the illumination optical device 10 can be downsized. Moreover, since it can be made to approach the light source lamp 12, the magnification of the collimating concave lens 14 can be reduced.
Further, by depositing a reflective member 121 of a metal film on the bulging portion 122 that encloses the electrode inside, the light beam emitted from the tip portion of the bulging portion 122 can be reliably reflected to the elliptical reflector 13. Therefore, it is possible to prevent the light beam emitted from the tip portion of the bulging portion 122 from being emitted without being reflected by the elliptical reflector 13.
[0041]
Since the incident side of the light flux transmission region of the collimating concave lens 14 is an aspherical surface having a hyperboloid shape, the light flux can be collimated on the incident side and can be prevented from being refracted on the exit side. Accordingly, it is possible to obtain an emitted light beam having a higher flat altitude. Further, since the exit side is a flat surface, the collimating concave lens 14 can be made relatively inexpensively.
Furthermore, since the exit side of the light flux transmission region of the condenser lens 19 is an aspherical surface, the aberration of the emitted light flux can be reduced. Therefore, the light beam can be reliably incident on the image forming area of the liquid crystal panel 41. Moreover, since the incident side of the light beam transmission region is a flat surface, the condenser lens 19 can be easily formed.
[0042]
Further, in the present embodiment, as described above, the light flux transmission areas of the collimating concave lens 14 and the first lens array 16 are reduced, so that the light flux density is increased. Therefore, it is necessary to improve the heat resistance of the phase difference plate of the PBS array. In the present embodiment, since the retardation plate is made of quartz or mica, heat resistance can be improved as compared with a retardation plate made of resin or the like.
[0043]
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and modifications, improvements, and the like within the scope that can achieve the object of the present invention are included in the present invention.
For example, in the above-described embodiment, the collimating concave lens 14 is an aspheric surface having a hyperboloid shape on the incident side of the light beam transmission region and the exit side is a plane, but the present invention is not limited thereto, and the incident side is a plane. The exit side may be an aspherical surface having an elliptical surface, the incident side may be a spherical surface, and the exit side may be an aspherical surface having a hyperboloid shape.
In the former case, since the exit side is an aspherical surface, the diameter of the emitted light beam can be reduced. Further, since the exit side is an aspherical surface, the variation in the in-plane illuminance of the emitted light beam can be made relatively small.
In the latter case, the same effect as the former can be obtained, and since the incident side is a spherical surface, the light can be prevented from being refracted on the incident side, and the emitted light flux with higher parallelism can be obtained. Obtainable.
[0044]
Further, the collimating concave lens may not have an aspherical surface but may have only a spherical surface. In this case, spherical aberration may occur and the degree of parallelism may be deteriorated. However, since it is sufficient to form a spherical surface, there is an advantage that manufacturing is easier than when an aspherical surface is formed.
[0045]
In the above-described embodiment, the condenser lens 19 has a plane on the incident side of the light beam transmission region and an aspherical surface having a hyperboloid shape on the exit side. However, the present invention is not limited to this. It may be. By doing in this way, manufacture of the condenser lens 19 can be facilitated.
Moreover, although the phase difference plate of the PBS array 18 is made of quartz or mica, the present invention is not limited to this. For example, the phase difference plate may be made of resin.
[0046]
Furthermore, although the reflection member 121 is attached to the light source lamp 12, the reflection member 121 may not be provided. In this way, the number of members can be reduced. However, when the reflecting member 121 is not provided, the light beam is emitted radially from the light source lamp 12, so that the elliptical reflector needs to be large.
Moreover, in the said embodiment, although the collimated concave lens 14, the 1st lens array 16, the 2nd lens array 17, the PBS array 18, and the condenser lens 19 were made into the substantially square-shaped light flux transmission area, it is not restricted to this, The liquid crystal panel 41 may have a rectangular shape that is not less than the short side dimension and not more than the long side dimension of the image forming area. However, since the light beam has a circular cross section, the square shape as in the above-described embodiment has an advantage that the portion through which the light beam does not pass may be smaller in the light beam transmission region.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing an optical system of a projector according to an embodiment of the invention.
FIG. 2 is a schematic diagram showing a relationship between an illumination optical device and a liquid crystal panel.
FIG. 3 is a diagram showing a locus of a light beam emitted from a light source device.
FIG. 4 is a diagram illustrating a locus of a light beam emitted from a light source device.
FIG. 5 is a schematic diagram showing a relationship between a conventional illumination optical device and a liquid crystal panel.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Projector, 10 ... Illumination optical apparatus, 11 ... Light source device, 12 ... Light source lamp, 13 ... Ellipse reflector, 14 ... Parallelizing concave lens, 16 ... 1st lens array, 17 ... 2nd lens array, 18 ... PBS array, DESCRIPTION OF SYMBOLS 19 ... Condenser lens, 41, 41R, 41G, 41B ... Liquid crystal panel, 120 ... Tubular member, 121 ... Reflective member, 122 ... Swelling part.

Claims

入射光束を画像情報に応じて変調し、光学像を形成する長方形状の画像形成領域を備えた光変調装置を照明する照明光学装置であって、
発光管、この発光管から放射された光束を反射する楕円リフレクタ、及びこの楕円リフレクタにより反射された光束を平行化する平行化レンズを備えた光源装置と、
照明光軸に直交する面内に複数の小レンズをマトリクス状に配列して構成され、前記光源装置から射出された光束を複数の部分光束に分割する光束分割光学素子と、
この光束分割光学素子により分割された各部分光束を前記光変調装置の画像形成領域上に重畳させる集光レンズとを備え、
前記発光管は、発光部本体を内部に封入する膨出部が形成された管状部材を備え、
前記膨出部の前記楕円リフレクタと反対側には、放射光束を前記楕円リフレクタに反射する反射部材が設けられ、
前記反射部材の前記楕円リフレクタ側の先端位置は、前記楕円リフレクタの開口部と前記照明光軸方向において略一致し、
前記平行化レンズは、前記楕円リフレクタにより反射された光束の径が前記光変調装置の画像形成領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下となる位置に配置され、
前記平行化レンズ、前記光束分割光学素子、前記集光レンズの光束透過領域が前記画像形成領域の短辺寸法以上、長辺寸法以下の矩形状に設定されていることを特徴とする照明光学装置。An illumination optical device that illuminates a light modulation device including a rectangular image forming region that modulates an incident light beam according to image information and forms an optical image,
A light source device including an arc tube, an elliptical reflector that reflects the luminous flux emitted from the luminous tube, and a parallelizing lens that collimates the luminous flux reflected by the elliptical reflector;
A beam splitting optical element configured by arranging a plurality of small lenses in a matrix in a plane perpendicular to the illumination optical axis, and splitting a beam emitted from the light source device into a plurality of partial beams;
A condensing lens that superimposes each partial light beam divided by the light beam dividing optical element on an image forming region of the light modulation device;
The arc tube includes a tubular member formed with a bulging portion that encloses the light emitting unit main body therein,
On the opposite side of the bulging portion from the elliptical reflector, a reflecting member that reflects a radiated light beam to the elliptical reflector is provided,
The tip position of the reflecting member on the elliptical reflector side substantially coincides with the opening of the elliptical reflector in the illumination optical axis direction,
The collimating lens is disposed at a position where the diameter of the light beam reflected by the elliptical reflector is not less than the short side dimension and not more than the long side dimension of the image forming region of the light modulation device,
The illumination optical device characterized in that a light beam transmission region of the collimating lens, the light beam splitting optical element, and the condenser lens is set to a rectangular shape having a short side dimension of the image forming region and a long side dimension of the image forming region. .

請求項１に記載の照明光学装置において、
前記反射部材は、前記膨出部の先端部分に蒸着形成された金属膜であることを特徴とする照明光学装置。The illumination optical apparatus according to claim 1,
The illumination optical device according to claim 1, wherein the reflecting member is a metal film formed by vapor deposition on a tip portion of the bulging portion.

請求項１または２に記載の照明光学装置において、
前記平行化レンズは、光束透過領域の入射側及び／又は射出側が非球面とされた平行化凹レンズであることを特徴とする照明光学装置。The illumination optical apparatus according to claim 1 or 2,
2. The illumination optical apparatus according to claim 1, wherein the collimating lens is a collimating concave lens in which an incident side and / or an exit side of a light beam transmission region are aspherical.

請求項３に記載の照明光学装置において、
前記平行化凹レンズは、光束透過領域の入射側が双曲面形状を有する非球面であり、射出側が平面であることを特徴とする照明光学装置。The illumination optical apparatus according to claim 3.
The illuminating optical device according to claim 1, wherein the collimating concave lens is an aspherical surface having a hyperboloid shape on the incident side of the light beam transmission region and a flat surface on the exit side.

請求項３に記載の照明光学装置において、
前記平行化凹レンズは、光束透過領域の入射側が平面であり、
前記射出側が楕円面を有する非球面であることを特徴とする照明光学装置。The illumination optical apparatus according to claim 3.
In the collimating concave lens, the incident side of the light flux transmission region is a plane,
An illumination optical apparatus, wherein the exit side is an aspherical surface having an elliptical surface.

請求項３に記載の照明光学装置において、
前記平行化凹レンズは、光束透過領域の入射側が球面であり、
前記射出側が双曲面形状を有する非球面であることを特徴とする照明光学装置。The illumination optical apparatus according to claim 3.
The collimating concave lens has a spherical surface on the incident side of the light beam transmission region,
An illumination optical device, wherein the exit side is an aspherical surface having a hyperboloid shape.

請求項１から６の何れかに記載の照明光学装置において、
前記集光レンズは、前記光束透過領域の入射側が平面であり、射出側が双曲面形状を有する非球面であることを特徴とする照明光学装置。The illumination optical apparatus according to any one of claims 1 to 6,
2. The illumination optical apparatus according to claim 1, wherein the condensing lens is an aspherical surface having a flat surface on the incident side of the light beam transmission region and a hyperboloid shape on the exit side.

請求項１から７の何れかに記載の照明光学装置において、
前記光束分割光学素子及び集光レンズの間には、入射光束の偏光方向を揃える偏光変換素子を備え、
前記偏光変換素子は、水晶又は雲母製の位相差板を有していることを特徴とする照明光学装置。The illumination optical apparatus according to any one of claims 1 to 7,
Between the light beam splitting optical element and the condenser lens, a polarization conversion element that aligns the polarization direction of the incident light beam is provided,
The illumination optical device, wherein the polarization conversion element includes a retardation plate made of quartz or mica.

請求項１から８の何れかに記載の照明光学装置を備えることを特徴とするプロジェクタ。 A projector comprising the illumination optical device according to claim 1.